近50年浙江省日照時數(shù)的時空特征及影響因素

張立波

(浙江省紹興市氣象局，浙江紹興 312000)

近年來，氣候與環(huán)境的變化已受到越來越多的關注。氣候變化會引起大氣化學結構和物理結構的改變，進而影響到太陽輻射狀況的變化。日照時數(shù)是太陽輻射能最直接的反映，探討氣候與環(huán)境變化對日照時數(shù)的影響具有重要意義。由于日照變化受太陽常數(shù)、云量、降水量、大氣透明度、水汽壓和平均風速等許多要素的影響，區(qū)域性日照變化研究往往更具現(xiàn)實意義。近年來，許多學者對不同區(qū)域太陽輻射和日照時數(shù)的變化及其影響因素進行了分析研究［1-6］，得出了許多有意義的結論。任國玉等［7］研究了1956-2002年中國年日照時數(shù)變化，指出近50年來我國年日照時數(shù)呈顯著減少趨勢，減少最明顯的地區(qū)在華北和華東，新疆次之。王釗等［8］分析了近60年西安日照時數(shù)變化特征及其影響因子，指出近60年西安日照時數(shù)明顯下降，以春、夏季最為明顯，秋、冬季次之，西安及其以東地區(qū)日照時數(shù)的下降不是氣溶膠的間接效應引起的，很可能是氣溶膠的直接輻射效應所致。Stanhill等［9］研究指出，氣溶膠和云量的增加是近年來全球太陽輻射下降的主要原因。杜軍等［10］分析指出，西藏近35年大部分地區(qū)年、季日照時數(shù)的顯著下降與水汽壓的增加密切相關。彭云峰等［11］研究表明近50年福建省年及四季日照時數(shù)的顯著減少與低云量增加關系密切，冬季日照時數(shù)的減少還與水汽壓增加有關。浙江省地處中國東部沿海，屬亞熱帶季風氣候，具有光照充足、雨熱同季、四季分明等氣候特點。目前，對浙江省降水、溫度等的變化特征，很多學者已從不同角度進行了大量的研究［12-13］，但對整個浙江省日照時數(shù)的時空變化及其變化原因的研究報道還很少見。作者對浙江省近50年來 (1961-2010年)年、季、月的日照時數(shù)的變化特征及其影響因素進行全面的分析，以期了解近50年浙江省日照時數(shù)的變化規(guī)律及其變化原因，為合理布局農業(yè)生產、調整種植結構，城市規(guī)劃設計及太陽能資源利用等方面提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

材料來源于中國氣象局國家氣象信息中心提供的浙江省16個測站逐日、逐月和逐年日照時數(shù)、降水量、平均相對濕度、平均風速、總云量和低云量材料，數(shù)據時段以1961年1月至2010年12月為主，冬季數(shù)據時段為1961年12月至2011年2月，材料年代為50年。16個站分別是杭州、平湖、慈溪、嵊泗、定海、金華、嵊州、鄞州、石浦、衢州、麗水、龍泉、溫州、洪家、大陳島、玉環(huán)。測站東部分布較密集，西部分布較稀疏一些。春季為3-5月，夏季為6-8月，秋季為9-11月，冬季為12-2月。晝雨日定義為8:00-20:00降水量≥0.1 mm的日數(shù)，從逐日降水量材料中統(tǒng)計年晝降水量和晝雨日數(shù)。

1.2 方法

在建立浙江省平均日照時數(shù)時間序列時，采用Jones等［14］提出的計算區(qū)域平均時間序列的方法。首先把浙江省整個區(qū)域按經緯度劃分為10×10網格，然后求每個網格內所有站點日照時數(shù)的算術平均值，最后應用面積加權法求所有網格的加權平均值。為了解氣象要素的長期趨勢變化，計算了氣象要素的時間序列與自然數(shù)序列之間的相關系數(shù)［15］(稱為趨勢系數(shù))。對趨勢系數(shù)的統(tǒng)計檢驗采用隨機Monte Carlo顯著性檢驗［16］。為定量地表示兩幅圖的相似程度，計算了圖型之間的相似系數(shù)［13］。EOF分解方法采用的是施能［17］的方法，為檢測氣象要素序列的變化是否有突變，采用Yamamoto檢驗方法［18］?？臻g插值方法采用 Regularized Spline(規(guī)則樣條函數(shù))，并用ArcGIS進行空間表達。

2 結果與分析

2.1 空間分布特征

浙江省區(qū)域平均年日照時數(shù)1 875.2 h，季節(jié)日照時數(shù)從大到小依次為夏 (617.6 h)、秋、春、冬 (360.3 h)。月日照時數(shù)從大到小依次為7月(238.2 h)、8月、9月、10月、5月、6月、11月、12月、4月、3月、1月、2月 (104.1 h)，月日照時數(shù)的年變化基本表現(xiàn)為從7月向前后兩端減少的特征，其與太陽高度角的變化規(guī)律基本一致，但略有滯后，此外梅雨期對6月及春季連陰雨對2-3月日照時數(shù)的影響也比較明顯。從季、月均方差看，春季和4月日照時數(shù)均方差最小，而夏季和8月均方差最大。

由圖1可見，浙江省多年平均的年日照時數(shù)呈東北多西南少的分布形式，日照時數(shù)最多的在嵊泗(2 064.2 h)，其次為平湖 (2 033.3 h)，最少的是麗水 (1 701.5 h)。浙江省多年平均的季和月總日照時數(shù)的空間分布特征與年總日照時數(shù)的空間分布極為相似，相似系數(shù)在0.99以上，均呈東北多西南少，其差異主要體現(xiàn)在高、低值區(qū)的分布上。與年日照時數(shù)的空間分布相比，夏季及6-8月在金衢盆地為一日照時數(shù)高值區(qū)，秋季及9-12月沿海站點日照較多，全省其他地區(qū)分布均勻。

圖1 浙江省多年平均年日照時數(shù)空間分布

2.2 時間變化

2.2.1 年總日照時數(shù)

圖2中a是浙江省16站平均的年總日照時數(shù)的時間序列，可以看出，日照時數(shù)總體呈減少趨勢。經計算年日照時數(shù)趨勢系數(shù)為-0.66(P＜0.001)，回歸系數(shù)為每10年-74.2 h(即平均每10年減少74.2 h)］。從高斯濾波線的變化上看，較明顯的年代際轉折發(fā)生在20世紀80年代初期，此期以前，年日照時數(shù)以偏多為主，20世紀60年代偏多最為明顯，之后日照時數(shù)明顯減少 (基本都是負距平)。圖2中b是對16站的年日照時數(shù)EOF分解的第1時間系數(shù) (數(shù)值已標準化)。圖2中b與a非常相似，都可以說明浙江省的年日照時數(shù)在大幅明顯減少，從20世紀80年代初期開始日照時數(shù)減少更明顯一些。各季節(jié)的日照時數(shù)也都呈減少趨勢，夏、秋、冬3季都達0.01信度檢驗，其中夏季日照時數(shù)減少最明顯也最多，其次依次是秋季、冬季和春季。近30年 (1981-2010年)，年及四季日照時數(shù)減幅縮小，年及夏、秋、冬3季仍呈減少趨勢，但都不顯著，春季轉為每10年以18.1 h的速度增加。

為了解空間變化，我們逐站地計算趨勢系數(shù)，并做出年日照時數(shù)趨勢系數(shù)的空間分布圖 (圖3中a)，同時給出年日照時數(shù)回歸系數(shù)的空間分布(圖3中b)。由圖3中a與b可見，浙江省年日照時數(shù)呈大范圍減少趨勢，除大陳島顯著上升外(趨勢系數(shù)0.32，回歸系數(shù)每10年36.6 h)，其余站點均明顯下降 (P＜0.01)，除東北部的平湖和嵊泗2站外減少幅度每10年都在80 h以上，最強的負趨勢在溫州 (趨勢系數(shù)-0.71，回歸系數(shù)為每10年-89.5 h)，減少最多的是玉環(huán) (趨勢系數(shù)-0.70，回歸系數(shù)每10年-110.7 h)。

圖2 浙江省年日照時數(shù)的時間變化 (a)和年日照時數(shù)EOF分解的第1時間系數(shù) (b)

圖3 浙江省年日照時數(shù)趨勢系數(shù) (a)及回歸系數(shù) (b)的空間分布

2.2.2 季日照時數(shù)

由圖4可見，浙江省四季日照時數(shù)趨勢變化空間分布基本一致，由北到南，減少趨勢逐步增強，最強的負趨勢位于浙江省東南部，在浙江省東北部秋季和冬季呈弱減少趨勢，春季則為弱增加趨勢。夏、秋、冬3季除大陳島呈增加趨勢外，其他地區(qū)基本都是顯著的負趨勢。春季大陳島呈顯著正趨勢，玉環(huán)為顯著負趨勢，其余測站正負趨勢變化都不顯著。

用Yamamoto檢驗方法對16個站年日照時數(shù)的時間序列進行了突變檢驗，結果發(fā)現(xiàn)，鄞州、衢州、玉環(huán)和大陳島存在突變，其中鄞縣、衢州和玉環(huán)年日照時數(shù)在20世紀80年代中期以后明顯減少，而大陳島在80年代中期以后則明顯增加。

2.3 影響日照時數(shù)的主要氣候要素

2.3.1 影響因子的變化趨勢

日照變化與許多因子有關，已有研究表明［7-11］，云量、降水量、大氣透明度、水汽壓、平均風速等對日照時數(shù)變化都有很大影響，由于材料限制，作者重點分析云量、降水量和平均風速對日照時數(shù)的影響。

浙江省1961-2010年近50年來，全省晝降水量普遍增加，但大都不顯著，僅在東北部的平湖、定海和嵊泗降水量增加超過0.05顯著水平;與降水量趨勢變化不同的是，全省的晝雨日數(shù)卻是大范圍減少，只在東北部區(qū)域呈弱增加趨勢。全省年平均總云量和低云量變化趨勢基本相反 (相似系數(shù)-0.47)，年平均總云量大范圍減少，僅在慈溪和平湖2站呈弱增加趨勢，而年平均低云量則是大范圍顯著增加，只有大陳島1站呈弱減少趨勢。近50年來，年平均風速除麗水站無明顯趨勢變化外，全省其余站點均顯著下降。

圖4 浙江省春季 (a)、夏季 (b)、秋季 (c)、冬季 (d)日照時數(shù)趨勢系數(shù)空間的分布

2.3.2 影響因子與日照時數(shù)的相關分析

對16個站點年日照時數(shù)與同站總云量、低云量、晝降水量、晝雨日、平均風速的相關系數(shù)統(tǒng)計結果 (表1)發(fā)現(xiàn)，所有站點年日照時數(shù)與總云量、低云量、晝降水量、晝雨日均呈負相關關系，且絕大多數(shù)站點達到0.05及以上顯著水平，符合降水量和云量增加時日照減少的一般規(guī)律;除大陳島年平均風速與日照時數(shù)呈顯著負相關外，其余大部分站點兩者呈顯著正相關關系。計算全省加權平均的年總云量、低云量、晝降水量、晝雨日和平均風速與日照時數(shù)的相關系數(shù)分別為 -0.53，-0.82，-0.64，-0.44和0.65，全都達0.01以上顯著水平。綜上說明，無論從區(qū)域平均還是單站來看，年日照時數(shù)與總云量、低云量、晝降水量和晝雨日的負相關關系及其與平均風速的正相關關系都是十分顯著的。

表1 浙江省16個站年日照時數(shù)與其影響因子相關系數(shù)的統(tǒng)計特征

2.3.3 日照時數(shù)減少的原因

根據上述分析，年日照時數(shù)與晝降水量、晝雨日、總云量和低云量均呈顯著的負相關關系，與平均風速則呈顯著的正相關關系，也就是晝降水量、晝雨日和云量增加，日照時數(shù)減少，而平均風速減小，日照時數(shù)也減少。由近50年浙江省云量、降水和平均風速的趨勢分布來看，總云量和晝雨日都呈減少趨勢，降水量呈弱增加趨勢，只有低云量和平均風速分別呈顯著增加和顯著減少趨勢，說明中高層云量和降水量變化并不是主要原因，而低云量的增加及平均風速的減小是浙江省日照時數(shù)減少的主要原因，這可能與氣溶膠的云、反照率間接效應有關。由于風速逐年減小，低層大氣中水汽和污染物不易擴散，使大氣低層氣溶膠濃度增大，云量增加，空氣透明度下降，導致到達地面的太陽輻射減少，日照時數(shù)也減少。

3 小結與討論

研究了浙江省近50年年、季、月的日照時數(shù)的空間分布特征。浙江省夏季日照時數(shù)最多，其次為秋、春與冬季。月日照時數(shù)的年變化基本表現(xiàn)為從7月向前后兩端減少的特征。夏季及8月日照時數(shù)的年際變化最大，春季及4月的均方差最小。浙江省年日照時數(shù)為1 701.5～2 064.2 h，多年平均的年、季、月日照時數(shù)空間分布均呈東北多西南少的規(guī)律。

在分析期內，浙江省平均年日照時數(shù)表現(xiàn)為極顯著的減少趨勢，平均每10年減少74.2 h。各季的日照時數(shù)都是負趨勢，夏、秋、冬3季減少趨勢明顯，夏季減少最明顯也最多，其次依次是秋季、冬季和春季，春季為弱減少趨勢。近30年的年及夏季、秋季和冬季日照時數(shù)減幅縮小，春季則轉為以每10年18.1 h的速度在增加。浙江省年及夏、秋、冬3季日照時數(shù)除大陳島呈增加趨勢外，其他各地一致呈顯著減少趨勢，春季各站趨勢變化大都不明顯。日照時數(shù)長期趨勢變化有明顯空間變化。浙東南地區(qū)日照時數(shù)減少最明顯，由南向北，減少趨勢逐步減弱，春季在浙東北地區(qū)呈弱增加趨勢。鄞州、衢州、玉環(huán)和大陳島年日照時數(shù)有明顯突變，突變主要發(fā)生在20世紀80代中期，其他地區(qū)的年日照時數(shù)沒有明顯的突變。

年日照時數(shù)與晝降水量、晝雨日、總云量和低云量均呈顯著的負相關關系，與平均風速呈顯著正相關關系。近50年浙江省日照時數(shù)減少主要與低云量的增加和平均風速減少有密切關系，這可能與氣溶膠的云、反照率間接效應有關。

本研究表明近50年浙江省四季日照時數(shù)明顯減少，相關研究［19-20］表明該區(qū)域春季和秋季降水量略有減少，夏季和冬季略有增加，各季熱量資源均呈增加趨勢，這些既有有利于作物生長的變化，也有作物生長的制約因素，非常值得有關生產部門注意。此外，有關該區(qū)域光、溫、水等氣候資源的不同配置對作物生長的影響，有待于今后繼續(xù)深入研究。

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